CN118025989A - 一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法 - Google Patents

一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法 Download PDF

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张明明
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Abstract

一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法，通过建立的防摇摆模型，进行模型预测控制，以及在仿真环境中验证设计的控制算法，能够计算出最优的起重机运行参数，然后由控制器控制相应执行机构动作，实现卷筒自动动作，同时根据起吊物品的重量以及起吊过程中钢丝绳的摆动情况来实时调整发送至电机的输出信号，从而保证起吊过程中钢丝绳的稳定性。

Description

一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法
技术领域
本发明涉及起重机控制技术领域，尤其是涉及一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法。
背景技术
公知的，起重机是一种智能化起吊搬运设备，近年来，随着科学技术的发展，起重机的应用范围越来越广泛，对于冶金车间来说，需要起重机完成金属块以及坩埚的吊起和移动，所以起重机要保持长时间的运行；
传统起重机的操作采用的是手动控制的方式，操作人员手动操作起重机的大车、小车以及卷筒的工作，且由于人体的局限性，上述操作需要分别进行，这样就造成了吊钩在下放时，大车或者小车同时移动就会容易造成吊钩的摇晃，从而影响吊钩所钩的坩埚的稳定性；
因此，综上所述，目前市场上需要一种能够保证钢丝绳稳定性的起升系统。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法，具体为：
步骤1.数据采集与预处理：
控制器采集起重机大车和小车的运行速度、钢丝绳的摆动角以及钢丝绳的收卷速度；
步骤2.基于PID控制器建立防摇摆模型：
1）设立PID控制方程：
；（1）
其中u(t)为控制输入；为摆角误差；、和分别是比例、积分和微分增益， 为时间常数；
2）根据钢丝绳的摆动参数设立系统动态方程：
；（2）
其中是钢丝绳摆动的角度；是钢丝绳摆动的角速度；是钢丝绳摆动 的角加速度；I是转动惯量；m是质量；g是重力加速度；l是摆长；b是阻尼系数；
3）将公式（1）代入公式（2），得到防摇摆模型：
；（3）
步骤3.对防摇摆模型进行模型预测控制：
1） 在时间步长下，将连续时间的防摇摆模型转化为每一时间步t的离散时间形 式：
；（4）
2）在控制输入加入加权和，得到最小化系统状态方程：
；（5）
其中N是优化时域的预测步数；、 和 分别是钢丝绳摆动的角 度、角速度和PID控制器输出的相应权重；
3）将最小化系统状态方程转化为优化方程：
；（6）
步骤4.在仿真环境中验证设计的控制算法，然后在实际卷扬机系统中进行实验。
优选的，所述控制器包含单片机、PID控制器和通讯接口，其中单片机的数据信号输入端口分别与角度传感器、重量传感器、卷筒电机、大车电机和小车电机的输出端口对应电连接，单片机的控制信号输入端口通过通讯接口与外部操作手柄对应连接，单片机的输出端口与PID控制器对应电连接，PID控制器分别与卷筒电机、大车电机和小车电机的输入端口对应电连接。
优选的，所述单片机设有安全限制单元，以确保系统操作在安全范围内。
优选的，所述单片机设有监控单元，该单元用于检测系统状态并进行故障诊断。
优选的，所述通讯接口包含多频段并行传输单元、波束成型单元、自适应调制单元、加密单元和网络切片单元，其中多频段并行传输单元能够在多个频段下与外部操作手柄进行通讯，波束成型单元能够针对外部操作手柄所在的区域进行信号聚焦，自适应调制单元能够根据网络条件和通讯需求动态调整信号的调制方式，加密单元能够对输入单片机的控制信号进行加密处理，网络切片单元能够对网络资源进行动态分配和管理。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明公开的一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法，能够计算出最优的起重机运行参数，然后由控制器控制相应执行机构动作，实现卷筒自动动作，同时根据起吊物品的重量以及起吊过程中钢丝绳的摆动情况来实时调整发送至电机的输出信号，从而保证起吊过程平稳进行。
附图说明
图1为本发明的一种示意图。
图中：1、单片机；2、PID控制器；3、通讯接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行说明，在描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系，仅是与本发明的附图对应，为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位：
结合附图1所述的一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法，具体为：
步骤1.数据采集与预处理：
控制器5采集起重机大车和小车的运行速度、钢丝绳的摆动角以及钢丝绳的收卷速度；
步骤2.基于PID控制器2建立防摇摆模型：
由于在起重机运行的同时卷扬机执行收卷动作这一过程中，钢丝绳在空中的摆动可以考虑为一个摇摆系统，因此根据摇摆系统得出下列防摇摆模型的建立过程，
1）设立PID控制方程：
；（1）
其中u(t)为控制输入，即单片机1输出向PID控制器2的控制信号；为摆角误差；、和分别是比例、积分和微分增益，为时间常数；
通过该方程能够定义PID控制器2接收的比例控制信号，从而让PID控制器2后续根 据该比例控制信号来给各个负载输出相应的准确控制信号，需要注意的是，、和的 值是通过多次调试得出的；
2）根据钢丝绳的摆动参数设立系统动态方程：
；（2）
其中是钢丝绳随时间摆动的角度；是钢丝绳摆动的角速度；是钢丝 绳摆动的角加速度；I是转动惯量；m是质量；g是重力加速度；l是摆长；b是阻尼系数；
该方程用于表示钢丝绳摆动时的动态动作，即在某一时刻下，钢丝绳在空间中的摆动角度是多少；
3）将公式（1）代入公式（2），得到防摇摆模型：
；（3）
公式（3）描述了卷扬机摆动过程中的动态行为，PID控制器2通过调整控制输入u（t）来稳定系统，即根据公式（2）得到钢丝绳在空间上的摆动角度，结合公式（1）给出的控制输出信号，最终由PID控制器2给相应负载电机准确的工作信号，从而抵消钢丝绳的摆动角度，实现防止钢丝绳摇摆的目的；
步骤3.对防摇摆模型进行模型预测控制：
1） 在时间步长下，将连续时间的防摇摆模型转化为每一时间步t的离散时间形 式：
；（4）
2）在控制输入加入加权和，得到最小化系统状态方程：
；（5）
其中N是优化时域的预测步数；、 和 分别是钢丝绳摆动的角 度、角速度和PID控制器2输出的相应权重；
3）将最小化系统状态方程转化为优化方程：
；（6）
使得系统的离散时间演化符合离散化后的动态模型；
步骤4.在仿真环境中验证设计的控制算法，然后在实际卷扬机系统中进行实验。
此外，所述控制器包含单片机1、PID控制器2和通讯接口3，其中单片机1的数据信号输入端口分别与角度传感器、重量传感器、卷筒电机、大车电机和小车电机的输出端口对应电连接，单片机1的控制信号输入端口与外部操作手柄对应连接，单片机1的输出端口与PID控制器2对应电连接，PID控制器2分别与卷筒电机、大车电机和小车电机的输入端口对应电连接，单片机1根据当前输入的钢丝绳角度、钢丝绳承载的重量、卷筒电机驱动卷筒转动的速度、大车的行进速度和小车的行进速度，结合上述的控制方法，得到相应的控制信号，PID控制器2根据控制信号，控制下一时刻卷筒、大车和小车执行的动作，从而保证起升系统在运作过程中钢丝绳能够保持平稳，需要注意的是，单片机1根据输入的卷筒转速，即可计算出钢丝绳的收卷速度，以及当前释放的钢丝绳长度；另外，角度传感器和重量传感器分别安装在钢丝绳上和钢丝绳连接的吊钩上，用于检测钢丝绳的摆动角度和钢丝绳荷载的重量。
根据需要，所述控制器设有安全限制单元，以确保系统操作在安全范围内，其中操作人员会在安全限制单元中设置一些参数的阈值，使得系统在自动运行时，如果检测到某些参数接近阈值或者达到阈值时，系统能够及时调整，从而保证系统能够安全的自动运行。
此外，所述控制器设有监控单元，该单元用于检测系统状态并进行故障诊断，该单元能够持续检测当前起升系统中的各机构的运行参数，并且判断各机构的运行是否正常。
根据需要，所述通讯接口采用5G通讯技术，由于冶金厂房中用到的大功率设备较多，并且冶金起重机运行的环境也是高温环境，因此一般的有线传输，和电磁波信号传输，都会有一些弊端，如信号传输线的外皮容易在高温环境下发生自燃，从而导致传输线路断开，影响起重机的运行，而电磁波信号传输则会被大功率设备所干扰，造成信号失真，同样影响起重机的正常运行，采用5G通讯则能够避免上述的问题，让冶金起重机的运行更加稳定；
此外，所述通讯接口3包含多频段并行传输单元、波束成型单元、自适应调制单元、加密单元和网络切片单元，其中多频段并行传输单元，能够在多个频段下与外部操作手柄进行通讯，即对信号传输频段做冗余处理，让单片机1能够稳定且快速度得接收外部操作手柄发出的控制信号，还可以根据环境和网络条件自动选择最佳的频段组合，以确保最佳的通讯效果，需要注意到的是，外部操作手柄发射的同样是多频段的信号；
波束成型单元能够针对外部操作手柄所在的区域进行信号聚焦，由于工人会在起重机运行的过程中跟随起重机移动，因此该区域是依照工人应该移动的区域来确定，并且，该单元还可以根据通讯需求实时调整波束形状和方向；
自适应调制单元能够根据网络条件和通讯需求动态调整信号的调制方式，以最大程度地提高通讯效率和可靠性，还可以在不同的信道条件下实现最佳的传输速率和误码率；
加密单元能够对输入单片机的控制信号进行加密处理，保障通讯数据的安全性和隐私性；
网络切片单元能够对网络资源进行动态分配和管理，可以根据通讯服务的特性和要求，灵活配置网络资源，提高网络利用率和性能。
本发明未详述部分为现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种具有自适应特性的起升系统智能控制方法，其特征是：具体为：
步骤1.数据采集与预处理：
单片机（1）采集起重机大车和小车的运行速度、钢丝绳的摆动角以及钢丝绳的收卷速度；
步骤2.基于PID控制器（2）建立防摇摆模型：
1）设立PID控制方程：
；（1）
其中u(t)为控制输入；为摆角误差；/>、/>和/>分别是比例、积分和微分增益，/>为时间常数；
2）根据钢丝绳的摆动参数设立系统动态方程：
；（2）
其中是钢丝绳摆动的角度；/>是钢丝绳摆动的角速度；/>是钢丝绳摆动的角加速度；I是转动惯量；m是质量；g是重力加速度；l是摆长；b是阻尼系数；
3）将公式（1）代入公式（2），得到防摇摆模型：
；（3）
步骤3.对防摇摆模型进行模型预测控制：
1） 在时间步长下，将连续时间的防摇摆模型转化为每一时间步t的离散时间形式：
；（4）
2）在控制输入加入加权和，得到最小化系统状态方程：
；（5）
其中N是优化时域的预测步数；、/> 和/> 分别是钢丝绳摆动的角度、角速度和PID控制器（2）输出的相应权重；
3）将最小化系统状态方程转化为优化方程：
；（6）
步骤4.在仿真环境中验证设计的控制算法，然后在实际卷扬机系统中进行实验；
运行上述控制方法采用的控制器包含单片机（1）、PID控制器（2）和通讯接口（3），其中单片机（1）的数据信号输入端口分别与角度传感器、重量传感器、卷筒电机、大车电机和小车电机的输出端口对应电连接，单片机（1）的控制信号输入端口通过通讯接口（3）与外部操作手柄对应连接，单片机（1）的输出端口与PID控制器（2）对应电连接，PID控制器（2）分别与卷筒电机、大车电机和小车电机的输入端口对应电连接。
2.如权利要求1所述的具有自适应特性的起升系统智能控制方法，其特征是：所述单片机（1）设有安全限制单元，以确保系统操作在安全范围内。
3.如权利要求1所述的具有自适应特性的起升系统智能控制方法，其特征是：所述单片机（1）设有监控单元，该单元用于检测系统状态并进行故障诊断。
4.如权利要求1所述的具有自适应特性的起升系统智能控制方法，其特征是：所述通讯接口（3）采用5G通讯技术。
5.如权利要求1所述的具有自适应特性的起升系统智能控制方法，其特征是：所述通讯接口（3）包含多频段并行传输单元（301）、波束成型单元（302）、自适应调制单元（303）、加密单元（304）和网络切片单元（305），其中多频段并行传输单元（301）能够在多个频段下与外部操作手柄进行通讯，波束成型单元（302）能够针对外部操作手柄所在的区域进行信号聚焦，自适应调制单元（303）能够根据网络条件和通讯需求动态调整信号的调制方式，加密单元（304）能够对输入单片机（1）的控制信号进行加密处理，网络切片单元（303）能够对网络资源进行动态分配和管理。
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